mini|desno|450px|Ravnoteža ili bilanca energije Sunčevog zračenja u sustavu Sunca i Zemlje: lijevo - dobitak i desno - gubitak energije za površinu Zemlje. Brojevi znače postotke (%) od upadne energije Sunčeva zračenja u atmosferu.
mini|desno|300 px|Sunce je izvor energije koja zagrijava Zemlju i njenu atmosferu.
mini|desno|300px|Spektar Sunčevog zračenja na Zemlji.
mini|desno|300px|Piranometar je mjerni instrument koji mjeri ukupno Sunčevo zračenje (sa svim valnim duljinama), koje pada na neku vodoravnu plohu.
mini|desno|300px|Optička debljina i optička masa atmosfere.
mini|desno|300px|Dokaz Lambert-Beerova zakona: zelena laserska zraka svjetlosti prolazi kroz otopinu pigmenta rodamina 6B. Zraka svjetlosti postaje sve slabija kako prolazi kroz otopinu.
300px|desno|mini|Podjela i stanje Zemljine atmosfere.
300px|desno|mini|Pirheliometar.
mini|desno|300px|U horizontskom koordinatnom sustavu položaj nebeskog tijela određen je azimutom i kutnom visinom (ili zenitnom daljinom = 90° - kutna visina).
mini|desno|300px|Insolacijska karta Hrvatske.
mini|desno|300px|Insolacijska karta Europe.
mini|desno|300px|Insolacijska karta svijeta.
mini|desno|300px|Vrijednosti albeda za razne površine.
mini|desno|300px|Prikaz izmjena energija i ravnoteže na Zemlji između izvora (Sunce), Zemljine površine, Zemljine atmosfere i neizbježnog gubitka u svemir. Mogućnost atmosfere da propušta velik postotak vidljive Sunčeve svjetlosti koja zagrijava Zemlju (a dio te energije se ponovo emitira u obliku dugovalnoga toplinskog zračenja natrag u atmosferu) i da najveći dio te energije upija (apsorbira) se u atmosferi molekulama stakleničkih plinova i odbija (reflektira) natrag prema Zemlji, naziva se staklenički učinak ili efekt staklenika.
Zemljina ravnoteža Sunčevog zračenja ili bilanca energije zračenja u sustavu Sunca i Zemlje je ravnoteža koja objašnjava da u sustavu atmosfere i Zemlje postoji uravnotežena bilanca Sunčevog zračenja. Kad ne bi bilo prirodne ravnoteže između primitka i gubitka energije zračenja, nastupili bi poremećaji i promjena klime, što bi moglo ugroziti život na Zemlji. U dalekoj prošlosti bilo je velikih promjena klime, kad su nastupila ledena, odnosno međuledena doba, ali uzroci tih promjena nisu se mogli do sada jednoznačno odrediti. "Tehnička enciklopedija" (Meteorologija), glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
Objašnjenje Sunce je izvor energije koja zagrijava Zemlju i njenu atmosferu. Zemljina površina zrači toplinsku energiju zagrijavajući atmosferu, dok atmosfera vraća protuzračenjem dio tog toplinskog zračenja Zemlje natrag na Zemljinu površinu, a dio zrači u svemir.
Već kroz tisuće godina temperatura na površini Zemlje oscilira unutar skoro konstantnih graničnih vrijednosti, što znači da se svi složeni procesi u sustavu Sunce - Zemlja nalaze u stalnoj ravnoteži. Ta se ravnoteža može pokazati bilancom zračenja unutar sustava Sunce - Zemlja - atmosfera.
Prema procjeni raspodjele Sunčeva zračenja, navedenih u tablici i na slici, Zemljina površina prima više energije nego što je upadna energija na vrhu atmosfere (oko 144%). To je zato što dio energije kruži u zatvorenom krugu Zemljina površina - atmosfera. Prikazana ravnoteža energije zračenja zasniva se na pojednostavljenom modelu, u kojemu se prosječne vrijednosti zračenja mogu značajno mijenjati sa zemljopisnom širinom, naoblakom i tako dalje. Ipak, ta bilanca daje kvalitativno ispravnu opću sliku raspodjele zračenja unutar sustava Sunce - Zemlja - atmosfera.
Dakle, uzevši u cjelini, u sustavu atmosfera - Zemlja postoji uravnotežena bilanca zračenja. Kad ne bi bilo prirodne ravnoteže između primitka i gubitka energije zračenja, nastupili bi poremećaji i promjena klime, što bi moglo ugroziti život na Zemlji. U dalekoj prošlosti bilo je velikih promjena klime, kad su nastupila ledena, odnosno međuledena doba, ali uzroci tih promjena nisu se mogli do sada jednoznačno odrediti.
+ Raspodjela Sunčeva zračenja Proces Dio upadne energije (%) Apsorpcija u plinovima atmosfere 6 Raspršenje u atmosferi 18 Refleksija od oblaka 24 Apsorpcija u oblacima 11 Prijenos (transmisija) kroz oblake 15 Refleksija od površine Zemlje (albedo) 4 Apsorpcija u površini Zemlje 22 Ukupna upadna energija 100
+ Toplinska bilanca Zemlje Proces Dio energije (%) Izravno ili direktno zračenje Sunca + 22 Raspršeno ili difuzno zračenje kroz oblake + 15 Raspršeno ili difuzno zračenje iz atmosfere + 11 Povratno zračenje atmosfere ili protuzračenje atmosfere + 96 Ukupan dobitak: + 144 Dugovalno zračenje Zemlje - 114 Konvekcija ili toplinsko strujanje - 6 Oslobađanje latentne topline kondenzacijom - 24 Ukupni gubitak: - 144
+ Toplinska bilanca atmosfere Proces Dio energije (%) Apsorpcija Sunčeva zračenja u plinovima + 6 Apsorpcija Sunčeva zračenja u oblacima + 11 Dugovalno zračenje Zemlje + 109 Konvekcija ili toplinsko strujanje + 6 Oslobađanje latentne topline kondenzacijom + 24 Ukupan dobitak: + 156 Povratno zračenje na Zemlju - 96 Zračenje u svemir - 60 Ukupni gubitak: - 156
Sunčevo zračenje i Zemljina atmosfera
Sunčevo zračenje je osnovni energetski izvor za sve procese u Zemljinoj atmosferi. Sunce zrači ogromnu energiju koja se većinom pretvara u toplinu. Tako na 10 km2 Zemljine površine dopire u ljetnom vedrom danu (uz slabljenje zračenja atmosferom) čak od 7 do 9 milijuna kW.
Temperatura površine Sunca iznosi oko 5 778 K (5505 °C), a odzračnost ili radijacijska egzitancija (izračena energija po ploštini i vremenu) na površini Sunca iznosi oko 63 500 W/m2. Ozračenje ili iradijancija Zemlje Sunčevim zračenjem na vrhu Zemljine atmosfere naziva se Sunčevom ili solarnom konstantom. Međunarodni komitet za zračenje Svjetske meteorološke organizacije WMO (eng. World Meteorological Organization) prihvatio je 1957. kao standardnu vrijednost Sunčeve konstante S0 = 1 382 W/m2. Udaljenost između Zemlje i Sunca mijenja se tokom godine, pa se zato i stvarni iznos Sunčeve konstante mijenja u području od 1 340 do 1431 W/m2, tako da se može računati s prosječnim iznosom S0 = 1 396 W/m2.
Spektar Sunčeva zračenja Spektar Sunčeva zračenja podijeljen je u 3 područja: ultraljubičasto područje valnih duljina λ = 0,2 - 0,4 μm, vidljivo područje valnih duljina λ = 0,4 - 0,76 μm i infracrveno područje valnih duljina λ = 0,8 - 4,0 μm.
Osnovni zakoni fizike opisuju i matematski određuju elektromagnetsko zračenje sa svim popratnim pojavama kao što su apsorpcija, transmisija (prijenos), refleksija i emisija zračenja.
Spektar zračenja kojemu je izložena atmosfera nalazi se unutar valnih duljina od oko 20 nm do oko 10 μm. Atmosfera ima veliku sposobnost apsorpcije, nepropusna je za kratke valne duljine λ < 0,3 μm, ali je skoro potpuno propusna za valne duljine vidljivog područja, to jest za 0,3 < λ < 1,0 μm.
Toplinsko zračenje Zemlje je u području valnih duljina oko λ = 10 μm. To je područje infracrvenog zračenja od kojega u atmosferi najveći dio apsorbira vodena para i ugljikov dioksid, pa samo manji dio Zemljina zračenja prolazi kroz atmosferu i odlazi u svemir.
Razdioba Sunčeva zračenja na vrhu atmosfere određena je astronomskim čimbenicima: kruženjem Zemlje oko Sunca, nagibom osi Zemljine vrtnje (rotacije) prema ekliptici te dnevnom Zemljinom vrtnjom. Teoriju razdiobe Sunčeva zračenja na Zemljinu kuglu kad ne bi bilo atmosfere (a to vrijedi i za vrh atmosfere) postavio je M. Milanković. On je predočio dijagram koji prikazuje godišnji raspored Sunčeva zračenja koje dopire do vodoravne površine na vrhu atmosfere prema zemljopisnoj širini. Na prvi pogled čini se nelogično da je najveća dnevna insolacija na polovima. To je ipak točno, ali ne zato što je na polovima najveće ozračenje Sunčevim zračenjem, nego zbog toga što u vrijeme maksimalne insolacije na polovima dan traje 24 sata.
Dnevno ozračenje ovisi i o upadnom kutu Sunčevih zraka na plohu. S druge strane, i zbog različite duljine dana, dnevno se ozračenje na vrhu atmosfere tokom godine bitno mijenja. Godišnje Sunčevo ozračenje smanjuje se porastom zemljopisne širine.
Raspršenje Sunčeva zračenja u atmosferi
Molekule zraka i čestice što lebde u atmosferi (aerosol) dijelom propuštaju, dijelom apsorbiraju, a dijelom raspršuju Sunčevo zračenje, i to selektivno s obzirom na valnu duljinu. Apsorbirani dio Sunčeva zračenja može se ili potpuno ili djelomično pretvoriti u drugi oblik energije, na primjer u toplinsku ili fotokemijsku energiju, što predstavlja gubitak energije zračenja. Međutim, od svih plinova od kojih se sastoji atmosfera, jedino ozon apsorbira elektromagnetsko zračenje u vidljivom području spektra.
Sunčevo se zračenje raspršuje na sve strane, no najviše zrači u smjeru u kojemu je ušlo u atmosferu, ali pri tom jakost izravnog zračenja to više slabi što se zrake više približavaju površini Zemlje gdje je atmosfera gušća. Dio raspršenog zračenja u atmosferi vraća se u međuplanetarni prostor, a drugi dio dopire do Zemljine površine. Na površinu Zemlje, dakle, dolazi, osim izravnog zračenja, i raspršeno ili difuzno zračenje iz svih smjerova nebeskog svoda. Difuzno zračenje omogućuje dnevnu rasvjetu i na mjestima koja nisu neposredno obasjana Sunčevim zrakama, i po oblačnom vremenu.
Apsorbiranje Sunčeva zračenja u atmosferi
Svaki plin selektivno apsorbira elektromagnetsko zračenje, i to s obzirom na valnu duljinu λ. Također svaki plin ima konstantan koeficijent apsorpcije, koji ovisi o valnoj duljini zračenja i o stanju plina. Energiju zračenja apsorbiraju molekule plina, pretvarajući je u neki drugi oblik energije, pa zato apsorbirana energija zračenja ovisi o gustoći plina, te o debljini sloja plina kroz koji zračenje prolazi.
Za monokromatsko zračenje odnos je jakosti (intenziteta) zračenja Iλs nakon prolaza kroz sloj zraka masenog koeficijenta apsorpcije αλm, debljine s, gustoće ρ(s), i jakosti upadnog zračenja Iλ0 opisan Lambert-Beer-Bougertovim zakonom:
Eksponent zove se optička debljina atmosfere. Ona je ovisna o položaju Sunca, najmanja je za Sunce u zenitu, a najveća za Sunce na obzoru (horizontu).
Masa zapaženog stupca zraka s osnovicom površine (ploštine) A jest:
Omjer te mase m za neki položaj Sunca M i za Sunce u zenitu M0 zove se optička masa atmosfere:
Ovisnost optičke mase atmosfere o kutnoj visini Sunca navedena je u tablici:
+ Optička masa atmosfere u ovisnosti o položaju Sunca Kutna visina Sunca Optička masa atmosfere 90° 1,00 70° 1,06 50° 1,30 40° 1,55 30° 2,00 20° 2,90 10° 5,60 5° 10,40 0° 35,40
Za različite kutne visine Sunca prikazane su u tablici pripadne vrijednosti optičke mase atmosfere. Vidi se da pri položaju Sunca na obzoru (horizontu) Sunčevo zračenje prolazi kroz 35,4 puta veću masu stupca zraka nego kad je Sunce u zenitu. To je razlog da u jutarnjim satima, nakon izlaska Sunca, Sunčevo ozračenje na površini Zemlje naglo raste, a u večernjim satima, pred zalazak Sunca naglo pada.
Atmosfera se neposredno ne zagrijava time što molekule zraka apsorbiraju Sunčevo elektromagnetsko zračenje. Apsorbirana energija zračenja očituje se u raznim fotokemijskim, fotoelektričnim i drugim molekularnim procesima, pa tako, na primjer, u velikim visinama apsorpcijom ultraljubičastog zračenja nastaje ozon. U troposferi, uz vodenu paru, i ugljikov dioksid apsorbira infracrveno zračenje, a Sunčevo zračenje apsorbiraju i primjese u atmosferi (prašina) i kapljice oblaka i magle.
Sunčevo zračenje na površini Zemlje Izravno Sunčevo zračenje
Izravno ili direktno Sunčevo zračenje jest zračenje Sunca koje dolazi do površine Zemlje kao snop paralelnih zraka, i to na plohu okomitu na zrake s jakošću (intenzitetom) I, a na vodoravnu plohu s jakošću Iv. Između tih jakosti postoji odnos: